Cómo los árboles pueden ser las próximas fuentes de baterías sostenibles (y que se carguen en 8 minutos)

  • Chris Baraniuk
  • BBC Future
Lignina. Láminas producidas por Stora Enso

Fuente de la imagen, Stora Enso

Hace unos 8 años, una importante productora de papel de Finlandia se dio cuenta de que el mundo estaba cambiando.

El auge de los medios digitales, la disminución en la impresión en las oficinas y que cada vez menos personas envían cosas por correo tradicional, entre otros factores, significaron que el papel se había embarcado en un declive constante.

La empresa Stora Enso, en Finlandia, se describe a sí misma como "una de las mayores propietarias de bosques privados del mundo".

Como tal, tiene una gran cantidad de árboles que utiliza para fabricar productos de madera, papel y embalaje, por ejemplo.

Ahora también quiere producir baterías para vehículos eléctricos que se carguen en tan solo 8 minutos.

La compañía contrató ingenieros para estudiar la posibilidad de utilizar lignina, un polímero que se encuentra en los árboles.

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Alrededor del 30% de un árbol es lignina, dependiendo de la especie; el resto es en gran parte celulosa.

"La lignina es el pegamento en los árboles que une las fibras de celulosa y también hace que los árboles sean muy rígidos", explica Lauri Lehtonen, director de solución de baterías a base de lignina de Stora Enso, Lignode.

La lignina contiene carbono. Y el carbono es un gran material para un componente vital en las baterías llamado ánodo.

Es casi seguro que la batería de iones de litio de tu teléfono tiene un ánodo de grafito. El grafito es una forma de carbono con una estructura en capas.

Los ingenieros de Stora Enso pensaron que podían extraer la lignina del desecho de la pasta que ya se producía en algunas de sus instalaciones y procesarla para hacer un material de carbono para los ánodos de las baterías.

La firma se asoció con la empresa sueca Northvolt y planea fabricar baterías a partir de 2025.

Más demanda de baterías

Con más y más personas comprando autos eléctricos y almacenando energía en el hogar, se espera que la demanda global por las baterías crezca considerablemente en los próximos años.

Como lo ve Lehtonen: "La demanda es alucinante".

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Pie de foto,

Las fábricas de papel producen grandes cantidades de desecho de lignina, que se puede utilizar para otros fines, incluida la fabricación de componentes de baterías.

En 2015, se requerían unos cientos de gigavatios hora (GWh) adicionales cada año en las existencias de baterías del mundo, pero esto se disparará a miles de GWh adicionales requeridos anualmente para 2030 a medida que el mundo se aleja de los combustibles fósiles, según la consultora McKinsey.

El problema es que las baterías de iones de litio actuales dependen en gran medida de procesos industriales y mineros que dañan el medio ambiente.

Además, algunos de los materiales de estas baterías son tóxicos y difíciles de reciclar. Muchos también provienen de países con una pobre política de defensa de los derechos humanos.

La fabricación de grafito sintético, por ejemplo, implica calentar el carbono a temperaturas de hasta 3000 °C durante semanas seguidas.

La energía para esto a menudo proviene de centrales eléctricas de carbón en China, según la consultora Wood Mackenzie.

Los árboles serían la clave

La búsqueda de materiales para batería sostenibles que estén ampliamente disponibles está en marcha. Algunos dicen que podemos encontrarlos en los árboles.

En general, todas las baterías necesitan un cátodo y un ánodo, que son los electrodos positivo y negativo, respectivamente, entre los cuales fluyen partículas cargadas llamadas iones.

Cuando se carga una batería, los iones de litio o sodio, por ejemplo, se transfieren del cátodo al ánodo, donde se almacenan como autos en un estacionamiento de varios pisos, explica Jill Pestana, científica e ingeniera de baterías con sede en California, que actualmente trabaja como consultora independiente.

"La propiedad principal que se busca en esta estructura de almacenamiento de un material es que puede absorber fácilmente el litio o el sodio y dejar que se vaya, y no se desmorone", explica.

Cuando la batería se descarga para alimentar algo como un auto eléctrico, los iones regresan al cátodo después de liberar electrones. Entonces los electrones se mueven a través del cable en un circuito eléctrico, transfiriendo energía al vehículo.

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Pie de foto,

La sostenibilidad de las baterías fabricadas con desecho de pasta de papel depende de muchos factores, incluido garantizar que las materias primas provengan realmente de desperdicios.

Según Pestana, el grafito es un material "espectacular" porque funciona tan bien como un ánodo fiable que permite que se produzcan tales reacciones.

Las alternativas que incluyen estructuras de carbono derivadas de la lignina tienen el desafío de demostrar que están a la altura del trabajo.

Sin embargo, hay varias empresas que exploran el potencial de la lignina en el desarrollo de baterías, como Bright Day Graphene en Suecia, que produce grafeno, otra forma de carbono, a partir de la lignina.

Lehtonen resalta las virtudes del material de ánodo de carbono de su empresa, que Stora Enso ha denominado Lignode.

Él no revela exactamente cómo la compañía convierte la lignina en una estructura de carbono duro, o qué es exactamente esa estructura.

Pero dice que el proceso implica calentar la lignina, aunque a temperaturas que no son tan altas como las requeridas para la producción de grafito sintético.

Una característica importante de la estructura de carbono resultante es que es "amorfa" o irregular, dice Lehtonen: "En realidad permite mucha más movilidad de los iones hacia adentro y hacia afuera".

Stora Enso afirma que esto les ayudará a fabricar una batería de iones de litio o de iones de sodio que se pueda cargar en tan solo 8 minutos. La carga rápida es un objetivo clave para los desarrolladores de baterías de vehículos eléctricos.

"La lignina es genial"

Una investigación separada sobre los ánodos de carbono derivados de la lignina, realizada por Magda Titirici y sus colegas del Imperial College London en Reino Unido sugiere que es posible hacer estructuras conductoras que contengan elementos de carbono irregulares con muchos defectos ricos en oxígeno.

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Estos defectos parecen aumentar la reactividad del ánodo con los iones transferidos desde el cátodo en las baterías de iones de sodio, dice Titirici, lo que a su vez acorta los tiempos de carga.

"Esta estructura conductora es fantástica para las baterías", afirma.

Wyatt Tenhaeff, de la Universidad de Rochester en el estado de Nueva York, también ha fabricado ánodos derivados de la lignina en el laboratorio.

La lignina es "realmente genial", resalta, porque es un subproducto que podría tener muchos potenciales usos.

Durante los experimentos, él y sus colegas descubrieron que podían usar la lignina para hacer un ánodo con una estructura autoportante, que no requería pegamento ni un colector de corriente a base de cobre, un componente común en las baterías de iones de litio.

A pesar de que esto podría reducir el costo de los ánodos de carbono derivados de la lignina, el experto se muestra escéptico de que puedan competir comercialmente con los ánodos de grafito.

"Simplemente no creo que vaya a ser un cambio lo suficientemente grande en términos de costo o rendimiento para reemplazar el ya conocido grafito", opina.

Cuidado del ambiente

También está el tema de la sostenibilidad.

Chelsea Baldino, investigadora del Consejo Internacional de Transporte Limpio, dice que mientras la lignina utilizada para la producción de ánodos se extraiga como un subproducto del proceso de fabricación de papel, no se talarán árboles adicionales para fabricar baterías.

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Un portavoz de Stora Enso confirma que, en la actualidad, toda la lignina que utiliza la empresa es "una corriente secundaria del proceso de fabricación de pasta" y utilizarla no aumenta el número de árboles talados ni el volumen de madera utilizada en la fabricación de pasta.

Sin embargo, cualquiera que busque fabricar ánodos a partir de lignina debe asegurarse cómo se obtiene esa lignina para que también sea sostenible, añade Pestana.

"Si la industria de la pasta no es sostenible, entonces el material en sí mismo no es un material derivado de forma sostenible", explica.

Según el informe anual de 2021 de Stora Enso, la empresa "conoce el origen de toda la madera que utiliza y el 100% procede de fuentes sostenibles".

Alternativas

Hay al menos otra forma en que la lignina podría usarse en baterías, además de los ánodos.

En abril, un equipo de investigación en Italia publicó un artículo sobre sus esfuerzos para desarrollar un electrolito a base de lignina.

Este es el componente que se encuentra entre el cátodo y el ánodo: ayuda a que los iones fluyan entre los electrodos, pero también obliga a los electrones a tomar el camino deseado a través del circuito eléctrico al que está conectada la batería.

En otras palabras, evita que los electrones simplemente reboten entre los electrodos, lo que provocaría la muerte de tu teléfono inteligente.

Se puede obtener polímeros para electrolitos del petróleo, dice Gianmarco Griffini de la Universidad Politécnica de Milán.

Pero agrega que sería beneficioso encontrar fuentes alternativas y sostenibles en su lugar.

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El especialista explica que la idea de usar lignina surgió después de que él y sus colegas experimentaron con el uso del material en paneles solares, con resultados ligeramente decepcionantes.

"Las eficiencias que obtienes en las células solares son relativamente limitadas porque la lignina es marrón, por lo que en realidad absorbe algo de luz", explica. En baterías, eso no importa.

Para la producción de ánodos, la lignina se trata con calor para descomponerla en sus carbonos constituyentes.

Pero Griffini, un "chico de polímeros", como se describe a sí mismo, dice que prefiere usarla en su forma de polímero.

Con esto en mente, su equipo desarrolló un electrolito de polímero en gel que ayuda al movimiento de iones en una batería de potasio experimental. "Salió bastante bien", afirma.

La viabilidad comercial de todas estas ideas está aún por demostrar.

Sin embargo, Titirici añade que, en teoría, se podría fabricar una batería que utilice polímeros de lignina en el electrolito, así como carbonos derivados de la lignina en el ánodo.

Tal vez, incluso, podrías usarlo para alimentar los recientes componentes electrónicos hechos a base de celulosa de última generación, una tecnología perfecta para tu casa del árbol, ¿verdad? ¿O sería ir demasiado lejos?

Si quieres leer este artículo en su versión original en inglés, puedes hacer clic aquí.

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